Los campos de aplicación de las obleas de SiC se dividen principalmente en el campo de potencia electrónica, el campo de radiofrecuencia, el campo fotoeléctrico y otros campos. Entre ellos, el campo de potencia electrónica y el campo de radiofrecuencia son las aplicaciones más importantes, y las ventajas del uso de obleas de carburo de silicio son obvias. El artículo presenta principalmente la razón de la aplicación de obleas de SiC en dispositivos de radiofrecuencia.

1. GaN HEMT Devices on the SiC Wafer Application in the 5G Base Station

Actualmente, un amplificador de potencia (PA para abreviar) utilizado en estaciones base adopta principalmente una tecnología de semiconductores de óxido metálico de difusión lateral (LDMOS) basada en silicio. La AAU de la estación base 5G adopta la tecnología Massive MIMO (entrada múltiple y salida múltiple masiva), lo que da como resultado una mayor potencia del equipo.

La tecnología LDMOS tiene limitaciones en aplicaciones de alta frecuencia: el ancho de banda de los amplificadores de potencia LDMOS se reducirá en gran medida a medida que aumenta la frecuencia, LDMOS solo es efectivo en el rango de frecuencia de 3.5GHz. Por lo tanto, el rendimiento de LDMOS en la banda de 3.5GHz ha comenzado a disminuir significativamente.

Además, la potencia AAU de las estaciones base 5G se ha incrementado considerablemente y la potencia de un solo sector ha aumentado de aproximadamente 50 W en el período 4G a aproximadamente 200 W en el período 5G. El proceso LDMOS tradicional es difícil de cumplir con los requisitos de rendimiento. En el mercado actual de megafonía, incluidos los utilizados en estaciones base y teléfonos móviles, el proceso de fabricación incluye principalmente LDMOS, GaAs, GaN tradicionales.

Con el desarrollo de la tecnología de materiales semiconductores, el nitruro de galio (GaN) se está convirtiendo en la principal ruta técnica para la PA en las bandas de frecuencia media-alta. Las ventajas de la tecnología GaN incluyen la mejora de la eficiencia energética, mayor ancho de banda, mayor densidad de potencia y menor volumen, lo que la convierte en un reemplazo exitoso de LDMOS.

GaAs tiene una frecuencia de microondas y un voltaje de trabajo de 5 V a 7 V, y se ha utilizado ampliamente en PA durante muchos años. La tecnología LDMOS basada en silicio tiene un voltaje de trabajo de 28V y se ha utilizado en el campo de las telecomunicaciones durante muchos años, y juega un papel principalmente en frecuencias por debajo de 4GHz. Pero no se utiliza mucho en aplicaciones de banda ancha. Por el contrario, GaN tiene un voltaje de operación de 28V a 50V, con una mayor densidad de potencia y frecuencia de corte, y puede lograr una solución altamente integrada en aplicaciones MIMO.

Las antenas Massive-MIMO requieren que los dispositivos estén miniaturizados. El tamaño de los dispositivos hechos de GaN es de 1/6 a 1/4 del tamaño de LDMOS. En comparación con LDMOS, GaN puede aumentar la potencia de 4 a 6 veces por unidad de área.

La aplicación de piezas de alta frecuencia y alta potencia es el campo dominante del semiconductor GaN de tercera generación. Se pueden utilizar dispositivos GaN HMET sobre sustrato de SiC.

2. ¿Por qué elegir un sustrato de carburo de silicio?

Cada índice de los materiales del sustrato, como la rugosidad de la superficie, el coeficiente de expansión térmica, el coeficiente de conductividad térmica y el grado de coincidencia de la red con el material epitaxial, tiene un impacto profundo en la producción de los dispositivos. Los requisitos de rendimiento y las explicaciones que deben investigarse para los materiales de sustrato calificados se muestran en la siguiente figura:

3. Comparison for Sapphire, Silicon and Silicon Carbide

Discordancia. Para la tasa de desajuste de la red de GaN, el zafiro es del 13,9%, el silicio es del 16,9% y el carburo de silicio es solo del 3,4%. La tasa de desajuste térmico del zafiro es del 30,3%, la del Si es del 53,5% y solo el 15,9% para el monocristal de SiC. Por lo tanto, en términos de las características de la estructura cristalina, la estructura cristalina de 4H-SiC y 6H-SiC y GaN son estructuras de wurtzita, con la tasa de desajuste de red y la tasa de desajuste térmico más bajas. Por lo tanto, la aplicación de la oblea de SiC es para el crecimiento de capas epitaxiales de GaN de alta calidad.

Conductividad. El zafiro es aislante y no puede fabricar dispositivos verticales.

Conductividad térmica. La conductividad térmica del zafiro es solo 0.3W · cm-1 · K-1, y la conductividad térmica del silicio es 1.48W · cm-1 · K-1, que es mucho más baja que la del carburo de silicio 3.4W · cm- 1 · K-1.

Rendimiento óptico. Tanto el zafiro como el carburo de silicio no absorben la luz visible, el sustrato de Si absorbe la luz en serio y la eficiencia de la salida de luz LED es baja.

En resumen, hay muchas ventajas para cultivar nitruro de galio sobre sustratos de carburo de silicio. Debido a la excelencia de las propiedades del carburo de silicio, la aplicación de obleas de SiC es amplia.

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